1.总线的定义：总线是一组多个部件分时共享公共信息传输线。

2.为什么要用总线？ 早期计算机外部设备多采用分散连接，不易随时增减外部设备。为了更好地解决这个问题l/O计算机连接到总线连接，计算机结构的灵活性问题。

3.总线的特点：

• 共享:指可以在总线上连接多个部件，通过这组线分时共享各部件之间交换的信息。
• 分时：指只允许一个部件同时向总线发送信息，如果系统中有多个部件，则只能分时向总线发送信息。

4.总线的特点：

• 1.机械特性:尺寸、形状、管脚数量、排列顺序
• 2.电气特性：传输方向和有效电平范围
• 3.功能特性:每条传输线的功能(地址、数据、控制)
• 4.时间特征：信号的时间顺序关系

串行总线：

• 优点:只需要一条传输线，成本低，广泛应用于长途传输；用于计算机时，可以节省布线空间。
• 缺点：数据发送和接收时，应拆卸和组装，并考虑串行-并行转换。

并行总线：

• 优点:总线逻辑时序简单，电路容易实现。
• 缺点：信号线数量多，布线空间多；远程传输成本高；由于工作频率高，平行信号线之间干扰严重，对每条线等长的要求越高，工作频率无法不断提高。

1.当工作频率相同时，串行总线的传输速度比平行总线慢。 2.并行总线的工作频率无法持续提高，而串行总线可以通过不断提高工作频率来提高传输速度，最终超过并行总线。

1.片内总线

1.单总线结构 结构：CPU、主存、I/O设备（通过IO接口)连接到一组总线，允许IO设备之间、I/O设备和CPU之间、IO直接交换设备与主存之间的信息。

优点：结构简单，成本低，易于接入新设备。

缺点：带宽低，负载重，多个部件只能使用唯一的总线，不支持并发传输操作。

注：单总线并不意味着只有一条信号线，系统总线可分为地址总线、数据总线和控制总线。

二、双总线结构

结构：双总线结构有两条总线，一条是主存总线CPU、数据传输在主存和通道之间；另一个是IO数据传输用于多个外部设备和通道之间的总线。

优点:低速IO设备与单总线分离，实现存储总线和IO总线分离。

缺点：需要增加硬件设备，如通道。

支持突发(猝发)传送：送出一个地址，收到多个地址连续的数州。

通道是具有特殊功能的处理器IO统一管理设备。主存储中放置通道程序。

三、三总线结构 结构：三总线结构是在计算机系统各部件之间使用三条独立的总线来形成信息通路，这三条总线是主存储总线，IO访问总线和直接内存DMA总线。

优点：改进IO设备的性能使其更快地响应命令，提高系统吞吐量。

缺点：系统工作效率低。

四、四总线结构 1.桥接器：用于连接具有数据缓冲、转换和控制功能的不同总线。

2.靠近CPU总线速度快。

1.总线传输周期(总线周期)

一次总线操作所需的时间(包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段)通常由几个总线时钟周期组成。

2.总线时钟周期

也就是机器的时钟周期。为了控制整个计算机的各个部件，计算机有一个统一的时钟，总线也应该由此时钟控制。

3.总线的工作频率

总线上各种操作的频率是总线周期的倒数。 若总线周期=N一个时钟周期，总线的工作频率=时钟频率/N。 实际上，数据在一秒钟内传输几次。

4.总线时钟频率

也就是说，机器的时钟频率是时钟周期的倒数。 若时钟周期为T，时钟频率为1/T。 实际上指一秒内有多少个时钟周期。

5.总线宽度

又称总线位宽，是总线上可以同时传输的数据位数，通常指数据总线的根数，如32个称为32位(bit）总线。

6.总线带宽

可以理解为总线的数据传输率，即单位时间内总线上可传输数据的位数，通常用每秒传输信息的字节数来衡量，单位可以使用字节/秒（B/s）表示。

总线带宽 = 总线工作频率×总线宽度(bit/s）= 总线工作频率×(总线宽度/8)（B/s）

注：总线带宽是指总线本身所能达到的最高传输速率。在计算实际有效数据传输率时，用实际传输的数据量除以耗时。

带宽例题： 7.总线复用

总线重用是指信号线在不同的时间传输不同的信息。更多的信息可以用较少的线传输，从而节省空间和成本。 A是地址线，D是数据线，AD0~AD15这16根地址数据复用总线

8.信号线数

地址总线、数据总线和控制总线的总和称为信号线数。

只有一个设备可以控制总线传输操作，一个或多个设备可以从总线接收数据。

根据其对总线的控制功能，将连接到总线的各种设备分为：

• 主要设备：获得总线控制权的设备。
• 设备：主设备访问的设备只能响应主设备发送的各种总线命令。

为何仲裁？

总线作为一种共享设备，同时不可避免地会出现多个主设备竞争总线控制权的问题。

总线仲裁的定义:

当多个主设备同时竞争主线控制权时，以某种方式选择主设备优先获得主线控制权称为总线仲裁。

总线仲裁分类:

集中仲裁模式链式查询模式、计数器定时查询模式、独立请求模式分布仲裁模式

工作流程:

• 1.主设备发出请求信号。
• 2.如果多个主设备同时使用总线，则根据一定的优先级顺序确定哪个主设备可以使用总线。
• 3.获得总线使用权的主要设备开始传输数据。

1.链式查询 总线忙信号的建立者是获得总线控制权的设备。

优先级: 离总线控制器越近，其优先级越高； 离总线控制器越远，优先级越低。

优点：链式查询先级固定。只需很少几根控制线就能按一定优先次序实现总线控制，结构简单，扩充容易。

缺点：对硬件电路的故障敏感，并且优先级不能改变。当优先级高的部件频繁请求使用总线时，会使优先级较低的部件长期不能使用总线。

2.计数器查询方式 结构特点：用一个计数器控制总线使用权，相对链式查询方式多了一组设备地址线，少了一根总线响应线BG；它仍共用一根总线请求线。

优点： 1.计数初始值可以改变优先次序

• 计数每次从“0”开始，设备的优先级就按顺序排列，固定不变;
• 计数从上一次的终点开始，此时设备使用总线的优先级相等;
• 计数器的初值还可以由程序设置

2．对电路的故障没有链式敏感

缺点: 1.增加了控制线数

• 若设备有n个，则需 [log2(n)]+2条控制线

2.控制相对比链式查询相对复杂

3.独立请求方式 结构特点：每一个设备均有一对总线请求线BRi和总线允许线BGi。

优点: 1.响应速度快，总线允许信号BG直接从控制器发送到有关设备,不必在设备间传递或者查询。 2.对优先次序的控制相当灵活。

缺点: 1.控制线数量多

• 若设备有n个，则需要2n+1条控制线。其中+1为BS线，其用处为，用于设备向总线控制部件反馈已经使用完毕总线。

2.总线的控制逻辑更加复杂

4.分布式仲裁方式

特点：不需要中央仲裁器，每个潜在的主模块都有自己的仲裁器和仲裁号，多个仲裁器竞争使用总线。

当设备有总线请求时，它们就把各自唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上； 每个仲裁器将从仲裁总线上得到的仲裁号与自己的仲裁号进行比较； 如果仲裁总线上的号优先级高，则它的总线请求不予响应，并撤销它的仲裁号；最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。

总线周期的四个阶段：

• 1.申请分配阶段:由需要使用总线的主模块（或主设备）提出申请，经总线仲裁机构决定将下一传输周期的总线使用权授予某一申请者。也可将此阶段细分为传输请求和总线仲裁两个阶段。
• 2.寻址阶段:获得使用权的主模块通过总线发出本次要访问的从模块的地址及有关命令，启动参与本次传输的从模块。
• 3.传输阶段:主模块和从模块进行数据交换，可单向或双向进行数据传送。
• 4.结束阶段:主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权。

总线定时是指总线在双方交换数据的过程中需要时间上配合关系的控制，这种控制称为总线定时，它的实质是一种协议或规则

• 同步通信（同步定时方式）：由统一时钟控制数据传输
• 异步通信（异步定时方式）：采用应答方式，没有公共时钟标准
• 半同步通信：同步、异步结合
• 分离式通信：充分挖掘系统总线每瞬时间的潜力

同步定时方式是指系统采用一个统一的时钟信号来协调发送和接收双方的传送定时关系。

时钟产生相等的时间间隔，每个间隔构成一个总线周期。

在一个总线周期中，发送方和接收方可进行一次数据传送。

因为采用统一的时钟，每个部件或设备发送或接收信息都在固定的总线传送周期中，一个总线的传送周期结束，下一个总线传送周期开始。

优点：传送速度快，具有较高的传输速率;总线控制逻辑简单。

缺点：主从设备属于强制性同步；不能及时进行数据通信的有效性检验，可靠性较差。同步通信适用于总线长度较短及总线所接部件的存取时间比较接近的系统。

在异步定时方式中，没有统一的时钟，也没有固定的时间间隔，完全依靠传送双方相互制约的“握手”信号来实现定时控制。

主设备提出交换信息的“请求”信号，经接口传送到从设备；从设备接到主设备的请求后，通过接口向主设备发出“回答”信号。 优点：总线周期长度可变，能保证两个工作速度相差很大的部件或设备之间可靠地进行信息交换,自动适应时间的配合。

缺点：比同步控制方式稍复杂一些，速度比同步定时方式慢。

异步定时方式-数据传输率例题：

总线标准是国际上公布或推荐的互连各个模块的标准，它是把各种不同的模块组成计算机系统时必须遵守的规范。按总线标准设计的接口可视为通用接口，在接口的两端，任何一方只需根据总线标准的要求完成自身方面的功能要求,而无须了解对方接口的要求。

系统总线标准：ISA、EISA、VESA、PCI、PCI-Express等。 设备总线标准：IDE、AGP、RS-232C、USB、SATA、SCSI、PCMCIA等。 局部总线标准：在ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线或管理层，如PCI、PCI-E、VESA、AGP等，可以节省系统的总带宽。

即插即用（Plug-and-Play)的作用是自动配置（低层）计算机中的板卡和其他设备，然后告诉对应的设备都做了什么。把物理设备和软件（设备驱动程序）相配合，并操作设备，在每个设备和它的驱动程序之间建立通信信道。

热插拔（hot-plugging或Hot Swap〉即带电插拔，热插拔功能就是允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下取出和吏换损坏的硬盘、电源或板卡等部件，从而提高了系统对灾难的及时恢复能力、扩展性和灵活性等，例如一些面向高端应用的磁盘镜像系统都可以提供磁盘的热插拔功能。

最早的PC总线是IBM公司1981年在PC/XT电脑采用的系统总线，它基于8bit的8088 处理器，被称为PC总线或者PC/XT总线。

1984年，IBM推出基于16-bit Intel 80286处理器的PC/AT电脑，系统总线也相应地扩展为16bit，并被称呼为PC/AT总线。而为了开发与IBM PC兼容的外围设备，行业内便逐渐确立了以IBM PC总线规范为基础的ISA(工业标准架构:Industry Standard Architecture )总线。

ISA总线最大传输速率仅为8MB/s ，数据传送需要CPU或DMA接口来管理，传输速率过低、CPU占用率高、占用硬件中断资源等，很快使ISA总线在飞速发展的计算机技术中成为瓶颈。不支持总线仲裁。

因此在1988年，康柏、惠普等9个厂商协同把ISA扩展到32-bit，这就是著名的EISA (Extended ISA，扩展ISA）总线。EISA总线的工作频率仍旧仅有8MEz，并且与8/16bit的ISA总线完全兼容，带宽提高了一倍，达到了32MB/s。从CPU中分离出了总线控制权，支持多个总线主控器和突发传送。可惜的是，EISA仍旧由于速度有限，并且成本过高，在还没成为标准总线之前，在20世纪90年代初的时候，就给PCI总线给取代了。

由于ISA/EISA总线速度缓慢，造成硬盘、显示卡还有其它的外围设备只能通过慢速并且狭窄的瓶颈来发送和接受数据，使得整机的性能受到严重的影响。为了解决这个问题，1992年Intel在发布486处理器的时候，也同时提出了32-bit 的PCI（周边组件互连）总线。

最早提出的PCI总线工作在33MHz频率之下，传输带宽达到了133MB/s (33MHz X32bit/8），比ISA总线有了极大的改善，基本上满足了当时处理器的发展需要。目前计算机上广泛采用的是这种32-bit、33MHz的PCI总线，可扩展到64bit。

特点:

• 1.高性能：不依附于某个具体的处理器，支持突发传送。
• 2.良好的兼容性。
• 3.支持即插即用。
• 4.支持多主设备。
• 5.具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力。
• 6.提供数据和地址奇偶校验的能力。
• 7.可扩充性好,可采用多层结构提高驱动能力。
• 8.采用多路复用技术，减少了总线引脚个数。 PCI总线是独立于CPU的局部总线，可将显示卡、声卡、网卡、硬盘控制器等高速的外围设备直接挂在CPU总线上，打破了瓶颈，使得CPU的性能得到充分的发挥。可惜的是，由于PCI总线只有133MB/s的带宽，对付声卡、网卡、视频卡等绝大多数输入/输出设备也许显得绰绰有余，但对于胃口越来越大的3D显卡却力不从心，并成为了制约显示子系统和整机性能的瓶颈。因此，PCI总线的补充——AGP总线就应运而生了。

Intel 于1996年7月正式推出了AGP(加速图形接口，Accelerated Graphics Port)接口，这是显示卡专用的局部总线，是基于PCI 2.1版规范并进行扩充修改而成，工作频率为66MHz ,1X模式下带宽为266MB/S，是PCI总线的两倍。后来依次又推出了AGP 2X 、AGP4X，现在则是AGP 8X，传输速度达到了2.1GB/S。

Intel 在2001年春季的IDF上，正式公布了旨在取代PCI总线的第三代IO技术，最后却被正式命名为PCI-Express,Express意思是高速、特别快的意思。

PCI Express总线是一种完全不同于过去PCI总线的一种全新总线规范，与PCI总线共享并行架构相比，PCI Express总线是一种点对点串行连接的设备连接方式，点对点意味着每一个PCI Express设备都拥有自己独立的数据连接，各个设备之间并发的数据传输互不影响，而对于过去PCI那种共享总线方式，PCI总线上只能有一个设备进行通信，一旦PCI总线上挂接的设备增多，每个设备的实际传输速率就会下降，性能得不到保证。

在传输速率方面，PCI Express总线利用串行的连接特点将能轻松将数据传输速度提到一个很高的频率，达到远超出PCI总线的传输速率。与此同时，PCI Express总线支持双向传输模式，还可以运行全双工模式。

支持热拔插 CPU的主频提高，数据宽度增大及处理能力的增强使得系统的性能迅速提高。虽然系统总线在不断发展，仍然跟不上软件和CPU的发展速度，仍然不能充分利用CPU的强大处理能力。大部分时间内，CPU都处于等待状态，特别是在日益强大的CPU处理能力和存储器容量的支持和激励下，操作系统和应用程度变得越来越复杂，而显示卡和硬盘控制器因位于8位或16位系统I/0总线上，相对极高的CPU的速度而言，传输数据的速度低的多，从而影响了系统的整体工作效率。

因此，为提高系统的整体性能，解决总线传输问题的一个办法是将外设直接挂在CPU局部总线上并以CPU速度运行，将外设挂到CPU局部总线能够极大地提高外设的运行速度，而成本只有轻微的上浮，这个性能/价格比为局部总线创造了一个巨大的市场潜力。

1991年，视频电子标准协会针对视频显示的高数据传输率要求而推出了VESA总线，又叫做视频局部总线(VESA local bus)，简称VL-BUS总线，由CPU总线演化而来，是针对多媒体PC要求高速传送活动图像的大量数据应运而生的。